卵石地層地鐵盾構(gòu)隧道下穿河流段影響因素分析

陳龍

摘要 卵石地層地鐵盾構(gòu)隧道下穿河流段易受到水力作用而產(chǎn)生復(fù)雜的圍巖應(yīng)力場(chǎng)。以北京地鐵房山線北延工程1標(biāo)段樊羊路—四環(huán)路區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿馬草河為工程背景，采用控制單一變量的手段，抽象簡(jiǎn)化采用FLAC3D建立有限差分模型，對(duì)不同隧道埋深及水頭高度下的水土耦合進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。研究結(jié)果表明：地層整體豎向位移隨隧道埋深增大而增大，但對(duì)于水平位移影響較小;不同水頭高度時(shí)，地層豎向位移和水平位移與水頭高度呈正相關(guān)，并且隨水頭高度增大，盾構(gòu)開(kāi)挖影響范圍也隨之增大。

關(guān)鍵詞 卵石地層;盾構(gòu)隧道;下穿河流;埋深;水頭高度;數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào) U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）07-0085-03

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人口的大量聚集，城市地面交通發(fā)展空間受限，地下軌道交通發(fā)展如火如荼，許多研究人員對(duì)盾構(gòu)地鐵修建進(jìn)行了研究[1-3]，攻克了諸多建設(shè)難題。閆莉等[4]以青島地鐵某隧道下穿河段工程為依托，提出了包含超前深孔注漿、地面復(fù)合錨桿樁及洞內(nèi)小導(dǎo)管補(bǔ)償注漿等多種注漿加固措施的聯(lián)合控制方案。梁孝等[5]以杭州地鐵5號(hào)線盾構(gòu)施工工程為背景，通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)和BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析。沙原亭[6]結(jié)合某在建地鐵土壓平衡式盾構(gòu)下穿河流及穿越橋梁樁基工程，總結(jié)出一套關(guān)于土壓平衡式盾構(gòu)下穿河流及穿越樁基的施工技術(shù)。

綜上可知，目前盾構(gòu)隧道下穿河流段研究仍然缺乏，特別在對(duì)于卵石地層等易受到水力侵蝕的地質(zhì)環(huán)境中。因此該文以北京地鐵房山線北延工程1標(biāo)段樊羊路—四環(huán)路區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿馬草河為工程背景，采用控制單一變量的手段，抽象簡(jiǎn)化實(shí)際工程采用FLAC3D建立有限差分模型，對(duì)不同隧道埋深及水頭高度下的水土耦合進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以期為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

北京地鐵房山線北延工程1標(biāo)段樊羊路—四環(huán)路區(qū)間出樊羊路站后，沿六圈路東行下穿Φ500燃?xì)夤芫€及白盆窯住宅地塊至六圈路與規(guī)劃張新路交叉口，左右線分別以450 m、460 m半徑下穿馬草河后轉(zhuǎn)彎向北延伸，下穿采砂坑后以R=500 m半徑再次下穿馬草河，沿規(guī)劃張新路向北至四環(huán)路南側(cè)接入四環(huán)路站，在四環(huán)路站盾構(gòu)吊出。區(qū)間在六圈路與規(guī)劃張新路路口側(cè)穿白盆窯規(guī)劃地塊東南角綠化部分，在馬草河?xùn)|岸側(cè)穿空軍計(jì)量總站及巴莊子村部分民房（最小水平距離為1.93 m）。沿線地下管線有2.0×2.3 m暗挖單孔電力隧道（最小豎向距離為9 m）和DN2200在建上水管（最小豎向距離約9.77 m）。

區(qū)間隧道兩次下穿馬草河，分別于里程SK25+556.0～SK25+633.5、XK25+550.0～XK25+637.0范圍下穿馬草河，區(qū)間與馬草河豎向最小凈距約為15.42 m。區(qū)間下穿馬草河風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)。于里程SK26+243.1～SK26+426.8、XK26+215.4～XK26+365.9范圍下穿馬草河，區(qū)間與馬草河豎向最小凈距約為10.42 m。區(qū)間下穿馬草河風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)。隧道基本位于卵石6層，局部位于卵石5層，地下水位位于隧道底板以下5～15 m。隧道內(nèi)各圍巖均勻性和穩(wěn)定性較好。

2 水土耦合數(shù)值模型建立

2.1 模型建立

根據(jù)工程實(shí)際條件簡(jiǎn)化及拉格朗日連續(xù)介質(zhì)法，基于FLAC3D軟件，為了減小邊界條件約束帶來(lái)的模擬結(jié)果誤差，模型長(zhǎng)度取隧道外徑的3～5倍，模型高度取隧道埋深的2～3倍。模型長(zhǎng)×寬×高為60 m×60 m×42 m，如圖1所示。為了保證模擬流固耦合下隧道開(kāi)挖的準(zhǔn)確性，在模型前后左右及下邊界設(shè)置位移約束，并將模型的左右及下邊界設(shè)置不透水邊界。孔隙水壓力為靜水壓力且水壓力隨著深度變化而呈梯度變化，施工掌子面設(shè)置成透水邊界，管片內(nèi)側(cè)設(shè)置零水壓力邊界，土體含水量為飽和含水量。

根據(jù)工程地質(zhì)勘查資料，模型地層參數(shù)選取均與實(shí)際工程資料一致，地層土體采用理想彈塑性的3D實(shí)體單元來(lái)模擬，滿(mǎn)足 mohr-Coulo mb屈服準(zhǔn)則。盾構(gòu)隧道管片、盾殼、注漿體均視為彈性材料，盾殼及管片采用shell單元進(jìn)行模擬，等代層采用3D實(shí)體單元進(jìn)行模擬。管片厚度為0.35 m，采用C50混凝土，盾殼的單元?jiǎng)偠扔射摬牡膹椥阅Ａ考安此杀扔?jì)算得出，厚度為20 cm。等代層厚度為20 cm。

模擬盾構(gòu)開(kāi)挖時(shí)，首先建立初始應(yīng)力場(chǎng)及初始水壓力場(chǎng)，并將初始位移清零，然后將隧道按實(shí)際開(kāi)挖的每段掘進(jìn)長(zhǎng)度將隧道部分劃分為同等長(zhǎng)度。假設(shè)已開(kāi)挖至第n步，首先，n階段的殺死土體單元，激活n階段的盾殼和土倉(cāng)壓力，同步激活上一階段的管片襯砌，此外n-2階段的注漿壓力及等代層，盾構(gòu)模擬過(guò)程如圖2所示。通過(guò)以上闡述的模型中操作以達(dá)到實(shí)際工程中的盾構(gòu)開(kāi)挖的效果。同時(shí)，重點(diǎn)研究地鐵盾構(gòu)開(kāi)挖從開(kāi)始進(jìn)入到盾構(gòu)完成這個(gè)過(guò)程中，土體內(nèi)孔隙水壓力的變化情況和地層位移情況，并對(duì)支護(hù)管片的變形及受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而保證盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程的安全。

為明確考慮滲流作用下，在單一變量改變時(shí)，盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中地層變形規(guī)律及支護(hù)管片受力情況，設(shè)置測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示，以模型盾構(gòu)開(kāi)挖方向20 m斷面為監(jiān)測(cè)斷面，水平方向每2 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置29個(gè)測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)地表最終豎向沉降和水平位移;在同樣斷面隧道拱頂上方及拱底下方0.1 m處設(shè)置豎向位移測(cè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)拱頂及拱底隧道施工過(guò)程中位移沉降規(guī)律。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)實(shí)際工程中隧道上方覆土厚度和水頭高度，選擇隧道埋深15 m、20 m、25 m、30 m，水深2 m、4 m、6 m、8 m進(jìn)行對(duì)比分析研究。具體研究工況組合如表1所示。在考慮水的作用時(shí)，對(duì)于水壓的模擬，采用有效應(yīng)力法，例如河流水深2 m，其在模型上表面的孔隙壓為2×104 Pa，應(yīng)力邊界為2×104 Pa。

3 關(guān)鍵影響因素分析

3.1 不同覆土厚度下盾構(gòu)下穿地層位移分析

為更好地監(jiān)測(cè)盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降情況，在地表以中軸線為基準(zhǔn)，盾構(gòu)方向20 m處，每隔2 m布置一個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，繪制出y方向20 m斷面處地表沉降值變化曲線（如圖4）。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，隧道在開(kāi)挖結(jié)束后，地表測(cè)線沉降整體呈“V”形分布，地表最大沉降出現(xiàn)在隧道拱頂上方，四種工況地表最大沉降值分別為6.78 mm、7.71 mm、8.78 mm和10.01 mm。離隧道中軸線越遠(yuǎn)，地表沉降值也越小。此外，由圖4可知，隨著隧道埋深增大，水平方向上影響范圍也相應(yīng)增大。受影響較大區(qū)域測(cè)點(diǎn)繪制出的曲線基本符合拋物線y=ax2，當(dāng)隧道埋深為15 m時(shí)，距隧道中軸線為12 m處的地表沉降速率開(kāi)始減小，基本開(kāi)始穩(wěn)定，沉降值為3.99 mm，a=0.03。當(dāng)隧道埋深為20 m時(shí)，地表沉降速率在距隧道中軸線20 m處開(kāi)始減小，并與20 m的測(cè)點(diǎn)沉降基本相同，最終沉降值為5.66 mm，a=0.02。而隧道埋深為25 m時(shí)，在據(jù)隧道中軸線26 m處向左右兩邊測(cè)點(diǎn)沉降值趨于穩(wěn)定為7.18 mm，a=0.02。而隧道埋深為30 m時(shí)，距隧道中軸線28 m處的測(cè)點(diǎn)沉降值不再發(fā)生較大變化，最終沉降值為8.69 mm，a=0.01。由此可知，在卵石地層中，隨著隧道埋深增大，盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程對(duì)于地表影響范圍也在增大，影響范圍增長(zhǎng)速率在逐漸放緩。

3.2 不同水頭高度下盾構(gòu)下穿地層位移分析

圖5為模型y方向20 m處，以距隧道中軸線水平方向測(cè)點(diǎn)地表沉降值繪制的單一斷面地表最終沉降規(guī)律對(duì)比圖。由圖5可知，地表沉降位移沿隧道中軸線對(duì)稱(chēng)，并呈“V”形分布，并且四種工況的地表沉降發(fā)展趨勢(shì)基本相同。地表沉降峰值出現(xiàn)在隧道中心線上方，并且距離隧道越遠(yuǎn)的地表沉降越小。此外，隨著水頭壓力的不斷增大，盡管遠(yuǎn)離隧道中心線的地表各測(cè)點(diǎn)位移不再改變，但仍存在著一定的均勻沉降，并且盾構(gòu)開(kāi)挖影響范圍和沉降量也逐漸增大，2 m水頭高度地表沉降量為8.19 mm，4 m水頭高度地表沉降量為8.78 mm，6 m水頭高度地表沉降量為9.92 mm，8 m水頭高度地表沉降量為10.19 mm，分別增大了7.18%、13.00%和2.79%，即地表沉降量增加了0.59 mm、1.14 mm和0.28 mm。

4 結(jié)論

為了研究卵石地層盾構(gòu)下穿河流段對(duì)于地層的影響規(guī)律，該文采用控制單一變量的手段，以實(shí)際工程地層及河流水深變化為參照，采用FLAC3D建立有限差分模型，進(jìn)行了不同隧道埋深（15 m、20 m、25 m和30 m）及水頭高度（2 m、4 m、6 m和8 m）下的水土耦合數(shù)值計(jì)算，共計(jì)完成了8組數(shù)值試驗(yàn)。主要得到以下結(jié)論：

（1）隧道上方不同覆土厚度影響因素方面：隨著隧道埋深增大，地表響應(yīng)范圍相應(yīng)增大，影響范圍增長(zhǎng)速率有所減小，地層整體豎向位移隨之增大，但對(duì)于水平位移影響較小。

（2）不同水頭高度影響因素方面：地層豎向位移和水平位移與水頭高度呈正相關(guān)，并且隨水頭高度增大，盾構(gòu)開(kāi)挖影響范圍也隨之增大。單一斷面處，地表豎向位移曲線以隧道中軸線水平對(duì)稱(chēng)，呈“V”分布。此外，水頭高度增大，地表沉降量增長(zhǎng)速率也有所增大。

參考文獻(xiàn)

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